KR20210112542A - 전력변환장치 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스 - Google Patents

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KR20210112542A
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inductive load
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전차승
한상철
이상주
공태웅
최효진
박진우
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엘지전자 주식회사
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Abstract

본 발명은 전력변환장치 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 전력변환장치는, 제1 전압을 저장하는 제1 커패시터와, 제1 커패시터에 저장된 제1 전압을 유도성 부하의 일단인 제1 노드에 출력하도록 턴 온되는 제1 스위칭 소자와, 제1 스위칭 소자에 일단이 접속되며, 제1 노드의 전압을 제1 전압으로 하강하도록 턴 온되는 제2 스위칭 소자와, 제1 전압 보다 큰 제2 전압을 유도성 부하의 일단인 제1 노드에 출력하도록 턴 온되는 제3 스위칭 소자와, 제3 스위칭 소자의 일단이 접속되며, 제1 노드의 전압을 그라운드 전압으로 하강하도록 턴 온되는 제4 스위칭 소자를 포함한다. 이에 의해, 유도성 부하에 전력 공급시의 스위칭 손실을 저감할 수 있게 된다.

Description

전력변환장치 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스{Power converting device and home appliance including the same}
본 발명은 전력변환장치 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 유도성 부하에 전력 공급시의 스위칭 손실을 저감할 수 있는 전력변환장치 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스에 관한 것이다.
전력변환장치는, 입력되는 전력을 변환하여, 부하에 변환된 전력을 공급하는 장치이다.
한편, 부하가 유도성 부하인 경우, 전력변환장치로, 싱글 엔디드(Single-ended) 공진형 인버터, 하프 브릿지 공진형 인버터가 사용된다.
그러나, 싱글 엔디드 공진형 인버터와, 하프 브릿지 공진형 인버터를 사용할 경우, 동작 주파수가 작으며, 이에 따라, 공진 커패시터와 공진 인덕터의 사이즈가 크다는 단점이 있다.
또한, 스위칭 소자의 내압이 높아, 스위칭 소손 가능성이 높으며, 스위칭 손실이 크다는 단점이 있다.
본 발명의 목적은, 유도성 부하에 전력 공급시의 스위칭 손실을 저감할 수 있는 전력변환장치 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은, 유도성 부하에 전력 공급시의 스위칭 소자의 내압을 저감할 수 있는 전력변환장치 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스를 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 유도성 부하에 공진을 이용하여 최대 전력을 공급할 수 있는 전력변환장치 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 전력변환장치 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스는, 제1 전압을 저장하는 제1 커패시터와, 제1 커패시터에 저장된 제1 전압을 유도성 부하의 일단인 제1 노드에 출력하도록 턴 온되는 제1 스위칭 소자와, 제1 스위칭 소자에 일단이 접속되며, 제1 노드의 전압을 제1 전압으로 하강하도록 턴 온되는 제2 스위칭 소자와, 제1 전압 보다 큰 제2 전압을 유도성 부하의 일단인 제1 노드에 출력하도록 턴 온되는 제3 스위칭 소자와, 제3 스위칭 소자의 일단이 접속되며, 제1 노드의 전압을 그라운드 전압으로 하강하도록 턴 온되는 제4 스위칭 소자를 포함한다.
한편, 제1 시점에, 제1 스위칭 소자가 턴 온되어, 제1 노드의 전압이 제1 전압으로 상승하며, 제1 시점 이후의 제2 시점에, 제3 스위칭 소자가 턴 온되어, 제1 노드의 전압이 제1 전압에서 제2 전압으로 상승하며, 제2 시점 이후의 제3 시점에, 제2 스위칭 소자가 턴 온되어, 제1 노드의 전압이 제2 전압에서 제1 전압으로 하강하며, 제3 시점 이후의 제4 시점에, 제4 스위칭 소자가 턴 온되어, 제1 노드의 전압이 제2 전압에서 그라운드 전압으로 하강할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 전력변환장치 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스는, 유도성 부하의 타단과 그라운드 사이에 배치되는 공진 커패시터를 더 포함할 수 있다.
한편, 제1 기간 동안, 제1 스위칭 소자가 턴 온되어, 유도성 부하와 공진 커패시터에 기초한 공진에 의해, 제1 노드의 전압이 제1 전압으로 상승하며, 제1 기간과 일부 중첩되는 제2 기간 동안, 제3 스위칭 소자가 턴 온되어, 유도성 부하와 공진 커패시터에 기초한 공진에 의해, 제1 노드의 전압이 제1 전압에서 제2 전압으로 상승할 수 있다.
한편, 제2 기간과 이격된 제3 기간 동안, 제2 스위칭 소자가 턴 온되어, 유도성 부하와 공진 커패시터에 기초한 공진에 의해, 제1 노드의 전압이 제2 전압에서 제1 전압으로 하강하며, 제3 기간과 일부 중첩되는 제4 기간 동안, 제4 스위칭 소자가 턴 온되어, 유도성 부하와 공진 커패시터에 기초한 공진에 의해, 제1 노드의 전압이 제1 전압에서 그라운드 전압으로 하강할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 전력변환장치 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스는, 제1 스위칭 소자와 제1 노드 사이에 접속되는 제1 다이오드와, 제2 스위칭 소자와 제2 노드 사이에 접속되는 제2 다이오드를 더 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력변환장치 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스는, 서로 직렬 접속되는 제1 스위칭 소자와 제2 스위칭 소자와, 제1 스위칭 소자에 일단이 접속되며, 제1 전압을 저장하는 제1 커패시터와, 제1 스위치 소자와 제2 스위칭 소자 사이의 제1 노드에 접속되는 유도성 부하와, 서로 직렬 접속되는 제3 스위칭 소자와 제4 스위칭 소자를 구비하고, 제3 스위치 소자와 제4 스위칭 소자 사이는 제1 노드에 접속되며, 제3 스위칭 소자에 제2 전압을 공급하는 제2 전압원이 접속되며, 제1 노드의 전압은, 제1 스위칭 소자와 제3 스위칭 소자의 순차적인 턴 온에 의해, 단계적으로 상승한다.
한편, 제1 노드의 전압은, 제1 스위칭 소자의 턴 온에 의해, 제1 전압으로 상승하며, 제3 스위칭 소자의 턴 온에 의해, 제1 전압에서 제2 전압으로 상승할 수 있다.
한편, 제1 노드의 전압은, 제2 스위칭 소자와 제4 스위칭 소자의 순차적인 턴 온에 의해, 단계적으로 하강할 수 있다.
한편, 제1 노드의 전압은, 제1 노드의 전압은, 제2 스위칭 소자의 턴 온에 의해, 제2 전압에서 제1 전압으로 하강하며, 제4 스위칭 소자의 턴 온에 의해, 제1 전압에서 그라운드 전압으로 하강할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력변환장치 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스는, 제1 노드의 일단이 접속되는 유도성 부하와, 유도성 부하의 타단과 그라운드 사이에 배치되는 공진 커패시터를 더 포함할 수 있다.
한편, 제1 기간 동안, 제1 스위칭 소자가 턴 온되어, 유도성 부하와 공진 커패시터에 기초한 공진에 의해, 제1 노드의 전압이 제1 전압으로 상승하며, 제1 기간과 일부 중첩되는 제2 기간 동안, 제3 스위칭 소자가 턴 온되어, 유도성 부하와 공진 커패시터에 기초한 공진에 의해, 제1 노드의 전압이 제1 전압에서 제2 전압으로 상승할 수 있다.
한편, 제2 기간과 이격된 제3 기간 동안, 제2 스위칭 소자가 턴 온되어, 유도성 부하와 공진 커패시터에 기초한 공진에 의해, 제1 노드의 전압이 제2 전압에서 제1 전압으로 하강하며, 제3 기간과 일부 중첩되는 제4 기간 동안, 제4 스위칭 소자가 턴 온되어, 유도성 부하와 공진 커패시터에 기초한 공진에 의해, 제1 노드의 전압이 제1 전압에서 그라운드 전압으로 하강할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력변환장치 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스는, 제1 스위칭 소자와 제1 노드 사이에 접속되는 제1 다이오드와, 제2 스위칭 소자와 제2 노드 사이에 접속되는 제2 다이오드를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 전력변환장치 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스는, 제1 전압을 저장하는 제1 커패시터와, 제1 커패시터에 저장된 제1 전압을 유도성 부하의 일단인 제1 노드에 출력하도록 턴 온되는 제1 스위칭 소자와, 제1 스위칭 소자에 일단이 접속되며, 제1 노드의 전압을 제1 전압으로 하강하도록 턴 온되는 제2 스위칭 소자와, 제1 전압 보다 큰 제2 전압을 유도성 부하의 일단인 제1 노드에 출력하도록 턴 온되는 제3 스위칭 소자와, 제3 스위칭 소자의 일단이 접속되며, 제1 노드의 전압을 그라운드 전압으로 하강하도록 턴 온되는 제4 스위칭 소자를 포함한다. 이에 따라, 유도성 부하에 전력 공급시의 스위칭 손실을 저감할 수 있게 된다. 또한, 유도성 부하에 전력 공급시의 스위칭 소자의 내압을 저감할 수 있게 된다.
한편, 제1 시점에, 제1 스위칭 소자가 턴 온되어, 제1 노드의 전압이 제1 전압으로 상승하며, 제1 시점 이후의 제2 시점에, 제3 스위칭 소자가 턴 온되어, 제1 노드의 전압이 제1 전압에서 제2 전압으로 상승하며, 제2 시점 이후의 제3 시점에, 제2 스위칭 소자가 턴 온되어, 제1 노드의 전압이 제2 전압에서 제1 전압으로 하강하며, 제3 시점 이후의 제4 시점에, 제4 스위칭 소자가 턴 온되어, 제1 노드의 전압이 제2 전압에서 그라운드 전압으로 하강할 수 있다. 이에 따라, 유도성 부하에 전력 공급시의 스위칭 손실을 저감할 수 있게 된다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 전력변환장치 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스는, 유도성 부하의 타단과 그라운드 사이에 배치되는 공진 커패시터를 더 포함할 수 있다. 이에 따라, 유도성 부하에 공진을 이용하여 최대 전력을 공급할 수 있게 된다.
한편, 제1 기간 동안, 제1 스위칭 소자가 턴 온되어, 유도성 부하와 공진 커패시터에 기초한 공진에 의해, 제1 노드의 전압이 제1 전압으로 상승하며, 제1 기간과 일부 중첩되는 제2 기간 동안, 제3 스위칭 소자가 턴 온되어, 유도성 부하와 공진 커패시터에 기초한 공진에 의해, 제1 노드의 전압이 제1 전압에서 제2 전압으로 상승할 수 있다. 이에 따라, 유도성 부하에 전력 공급시의 스위칭 손실을 저감할 수 있게 된다.
한편, 제2 기간과 이격된 제3 기간 동안, 제2 스위칭 소자가 턴 온되어, 유도성 부하와 공진 커패시터에 기초한 공진에 의해, 제1 노드의 전압이 제2 전압에서 제1 전압으로 하강하며, 제3 기간과 일부 중첩되는 제4 기간 동안, 제4 스위칭 소자가 턴 온되어, 유도성 부하와 공진 커패시터에 기초한 공진에 의해, 제1 노드의 전압이 제1 전압에서 그라운드 전압으로 하강할 수 있다. 이에 따라, 유도성 부하에 전력 공급시의 스위칭 손실을 저감할 수 있게 된다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 전력변환장치 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스는, 제1 스위칭 소자와 제1 노드 사이에 접속되는 제1 다이오드와, 제2 스위칭 소자와 제2 노드 사이에 접속되는 제2 다이오드를 더 포함할 수 있다. 이에 따라, 제1 스위칭 소자의 턴 온 또는 제2 스위칭 소자의 턴 온에 따른 전류 패쓰를 형성할 수 있게 된다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력변환장치 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스는, 서로 직렬 접속되는 제1 스위칭 소자와 제2 스위칭 소자와, 제1 스위칭 소자에 일단이 접속되며, 제1 전압을 저장하는 제1 커패시터와, 제1 스위치 소자와 제2 스위칭 소자 사이의 제1 노드에 접속되는 유도성 부하와, 서로 직렬 접속되는 제3 스위칭 소자와 제4 스위칭 소자를 구비하고, 제3 스위치 소자와 제4 스위칭 소자 사이는 제1 노드에 접속되며, 제3 스위칭 소자에 제2 전압을 공급하는 제2 전압원이 접속되며, 제1 노드의 전압은, 제1 스위칭 소자와 제3 스위칭 소자의 순차적인 턴 온에 의해, 단계적으로 상승한다. 이에 따라, 유도성 부하에 전력 공급시의 스위칭 손실을 저감할 수 있게 된다. 또한, 유도성 부하에 전력 공급시의 스위칭 소자의 내압을 저감할 수 있게 된다.
한편, 제1 노드의 전압은, 제1 스위칭 소자의 턴 온에 의해, 제1 전압으로 상승하며, 제3 스위칭 소자의 턴 온에 의해, 제1 전압에서 제2 전압으로 상승할 수 있다. 이에 따라, 유도성 부하에 전력 공급시의 스위칭 손실을 저감할 수 있게 된다.
한편, 제1 노드의 전압은, 제2 스위칭 소자와 제4 스위칭 소자의 순차적인 턴 온에 의해, 단계적으로 하강할 수 있다. 이에 따라, 유도성 부하에 전력 공급시의 스위칭 손실을 저감할 수 있게 된다.
한편, 제1 노드의 전압은, 제1 노드의 전압은, 제2 스위칭 소자의 턴 온에 의해, 제2 전압에서 제1 전압으로 하강하며, 제4 스위칭 소자의 턴 온에 의해, 제1 전압에서 그라운드 전압으로 하강할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력변환장치 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스는, 제1 노드의 일단이 접속되는 유도성 부하와, 유도성 부하의 타단과 그라운드 사이에 배치되는 공진 커패시터를 더 포함할 수 있다. 이에 따라, 유도성 부하에 공진을 이용하여 최대 전력을 공급할 수 있게 된다.
한편, 제1 기간 동안, 제1 스위칭 소자가 턴 온되어, 유도성 부하와 공진 커패시터에 기초한 공진에 의해, 제1 노드의 전압이 제1 전압으로 상승하며, 제1 기간과 일부 중첩되는 제2 기간 동안, 제3 스위칭 소자가 턴 온되어, 유도성 부하와 공진 커패시터에 기초한 공진에 의해, 제1 노드의 전압이 제1 전압에서 제2 전압으로 상승할 수 있다. 이에 따라, 유도성 부하에 전력 공급시의 스위칭 손실을 저감할 수 있게 된다.
한편, 제2 기간과 이격된 제3 기간 동안, 제2 스위칭 소자가 턴 온되어, 유도성 부하와 공진 커패시터에 기초한 공진에 의해, 제1 노드의 전압이 제2 전압에서 제1 전압으로 하강하며, 제3 기간과 일부 중첩되는 제4 기간 동안, 제4 스위칭 소자가 턴 온되어, 유도성 부하와 공진 커패시터에 기초한 공진에 의해, 제1 노드의 전압이 제1 전압에서 그라운드 전압으로 하강할 수 있다. 이에 따라, 유도성 부하에 전력 공급시의 스위칭 손실을 저감할 수 있게 된다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력변환장치 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스는, 제1 스위칭 소자와 제1 노드 사이에 접속되는 제1 다이오드와, 제2 스위칭 소자와 제2 노드 사이에 접속되는 제2 다이오드를 더 포함할 수 있다. 이에 따라, 제1 스위칭 소자의 턴 온 또는 제2 스위칭 소자의 턴 온에 따른 전류 패쓰를 형성할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 홈 어플라이언스의 일예인 유도가열 조리기기의 외부 사시도이다.
도 2는 도 1의 유도가열 조리기기의 내부 블록도의 일예이다.
도 3은 도 1의 유도가열 조리기기의 전력 공급의 일예를 보여주는 도면이다.
도 4는 도 3에 따른 유도가열 조리기기의 내부 회로도의 일예이다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명과 관련된 전력변환장치의 다양한 예를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력변환장치의 회로도의 일예이다.
도 7 내지 도 11은 도 6의 전력변환장치의 동작 설명에 참조되는 도면이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 단순히 본 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되는 것으로서, 그 자체로 특별히 중요한 의미 또는 역할을 부여하는 것은 아니다. 따라서, 상기 "모듈" 및 "부"는 서로 혼용되어 사용될 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 홈 어플라이언스는, 유도성 부하를 구비하는 홈 어플라이언스로서, 유도가열 코일을 구비하는 조리기기, 모터를 구비하는 세탁물 처리기기, 공기조화기, 냉장고, 이동 로봇, 로봇 청소기, 청소기, 정수기, 드론, 차량 등의 적용 가능하다. 이하에서는, 홈 어플라이언스의 일예로 유도가열 조기기기를 중심으로 기술한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 홈 어플라이언스의 일예인 유도가열 조리기기의 외부 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 의한 유도가열 조리기기(100)는, 가열 플레이트(110), 제1 가열부(130), 제2 가열부(132), 제3 가열부(134), 입력부(125), 및 디스플레이(180)를 포함할 수 있다.
가열 플레이트(110)는 유도가열 조리기기(100)의 케이싱으로서, 각 가열부 상에 배치된다. 가열 플레이트(110)는, 세라믹, 강화 유리 등 다양한 재질로 구현가능하다.
가열 플레이트(110)의 상부에 조리용기가 배치되며, 특히 조리용기(195)가 후술하는 각 가열부(130,132,134) 상 중 적어도 하나에 배치되는 경우, 유도 가열 원리에 의해 가열되게 된다.
제1 가열부(130)는, 복수의 유도 가열 코일 및 공진용 커패시터(미도시)를 구비한다.
도면에서는, 제1 가열부(130)가, 제1 코일(Lr1) 및 제2 코일(Lr2)을 구비하는 것을 예시한다.
이 중 제1 코일(Lr1)은, 조리 용기의 온도 검출을 위해 사용되는 유도 가열 코일일 수 있으며, 제2 2 유도 가열 코일(Lr2)은, 조리 용기의 가열시의 사용되는 유도 가열 코일일 수 있다.
도면에서는, 제2 유도 가열 코일(Lr2)이 제1 유도 가열 코일(Lr1)의 외주에 배치되는 것으로 예시한다.
조리용기(195)가, 제1 가열부(130), 특히 제2 유도 가열 코일(Lr2) 상에 높인 상태에서, 제2 유도 가열 코일(Lr2)에 교류 전류, 특히 고주파의 교류 전류가 흐르는 경우, 제2 유도 가열 코일(Lr2)과 공진용 커패시터(미도시)에 의한 공진에 의해, 제2 유도 가열 코일(Lr2)에 자기장이 발생하며, 자기장에 의한 전자기 유도 효과로 인하여, 조리용기(195)에 와전류(Eddy current)가 유도되게 된다. 이 와전류에 의해 조리 용기의 저항 성분에서 주울(Joul) 열이 발생하여 조리 용기가 가열되게 된다.
제2 가열부(132)는, 제3 유도 가열 코일(Lr3) 및 공진용 커패시터(미도시)를 구비한다. 조리용기(195)가 제2 가열부(132), 특히 제3 유도 가열 코일(Lr3) 상에 높인 상태에서, 고주파의 교류 전류가 흐르는 경우, 상술한 바와 같이 와전류에 의해, 조리 용기(195)가 가열되게 된다.
제3 가열부(134)는, 제4 유도 가열 코일(Lr4) 및 공진용 커패시터(미도시)를 구비한다. 조리용기(195)가 제3 가열부(134), 특히 제4 유도 가열 코일(Lr4) 상에 높인 상태에서, 고주파의 교류 전류가 흐르는 경우, 상술한 바와 같이 와전류에 의해, 조리 용기(195)가 가열되게 된다.
입력부(125)는, 사용자에 의해 조작에 따라, 유도가열 조리기기(100)를 동작되도록 한다. 예를 들어, 사용자의 조작에 의해, 제1 가열부(130), 제2 가열부(132), 제3 가열부(134) 중 적어도 어느 하나를 가열할지, 또는, 제1 가열부(130) 내의 제1 유도 가열 코일(Lr1) 및 제2 유도 가열 코일(Lr2) 중 어디에 전류가 공급되도록 할지, 또는 각 가열부의 동작 시간 선택 또는 온도 선택 등이 결정될 수 있다.
입력부(125)는 도면과 같이, 각 가열부(130,132,134) 별로 구비되는 것도 가능하다.
디스플레이(180)는, 유도가열 조리기기(100)의 전반적인 동작 상태를 표시한다. 각 가열부(130,132,134)가 동작되는 중 인지 여부, 가열중인 조리 용기(195)의 온도 등이 표시된다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 유도가열 조리기기(100) 외에, 복사열(radiant heat) 방식의 조리기기는, 유도가열 조리기기(100)와 마찬가지로, 가열 플레이트(110) 하의 가열부를 이용하므로, 불꽃이 없어, 안정성이 높다는 장점이 있다. 그러나, 복사열 방식에 따라 가열부 자체의 온도가 상승하게 되므로, 가열부의 보호를 위해, 온/오프 제어가 필요하게 된다.
그러나, 본 발명의 실시예에 따른 유도가열 조리기기(100)는, 고주파에 의한 유도 가열 원리를 이용하므로, 가열부, 특히, 유도가열 코일이 직접 가열되지 않아, 지속적으로 고주파 전류를 공급할 수 있게 되므로, 높은 에너지 효율 및 가열 시간을 단축시킬 수 있다는 장점이 있다.
한편, 유도가열 조리기기(100)는, 금속 성분을 포함한 자성체의 조리 용기인 경우에 유도 가열이 효율적으로 수행되므로, 이를 보완하기 위해, 즉 비자성체의 조리 용기의 경우에도 가열이 수행되도록 하기 위해, 별도로 전열 가열부(미도시)를 더 구비할 수 있다. 전열 가열부(미도시)는, 각 가열부(130,132,134) 중 적어도 하나에 배치될 수도 있다. 그 외, 유도가열 조리기기(100)는, 조리 용기의 종류를 검출하는 부하 검출부(미도시)를 더 구비할 수도 있다.
도 2는 도 1의 유도가열 조리기기의 내부 블록도의 일예이다.
도면을 참조하면, 유도 가열 조리기기(100)는, 제1 전력변환장치(210a), 제2 전력변환장치(210b), 입력부(125), 디스플레이(180), 및 온도 검출부(400)를 구비할 수 있다.
제1 전력변환장치(210a), 제2 전력변환장치(210b)는, 조리기(100) 내의 복수의 유도 가열 코일에 전력을 공급할 수 있다.
도 3에서는, 제1 전력변환장치(210a)가, 제2 유도 가열 코일(Lr2), 제3 유도 가열 코일(Lr3), 및 제4 유도 가열 코일(Lr4)에 전력을 공급하고, 제2 전력변환장치(210b)가, 제1 유도 가열 코일(Lr1)에 전력을 공급하는 것을 예시한다.
입력부(125)는, 조리기기(100)의 동작과 관련된 버튼, 터치 스크린 등을 구비할 수 있으며, 입력부(125)에서 입력된 신호는, 제어부(170)로 전송될 수 있다.
디스플레이(180)는, 조리기기(100)의 동작 상태와 관련한 정보를 표시할 수 있다. 예를 들어, 조리와 관련된 조리 시간, 남은 시간, 조리 종류 정보, 조리 용기의 온도 등을 표시할 수 있다.
온도 검출부(400)는, 조리 용기(195)의 온도를 검출할 수 있다. 온도 검출을 위해, IR 센서 등의 방식이 있으나, 본 발명에서는, 간편하고, 제조 비용 저감 등을 고려하여, 온도에 따라 저항값이 가변되는 저항 소자를 활용하는 방안을 제시한다. 저항 소자의 배치에 대해서는, 도 5 이하를 참조하여 기술한다.
제어부(170)는, 조리기기(100)의 전반적인 동작을 제어한다.
예를 들어, 제어부(170)는, 제1 전력변환장치(210a), 제2 전력변환장치(210b), 입력부(125), 디스플레이(180), 및 온도 검출부(400) 등의 동작을 제어할 수 있다.
구체적으로, 입력부(25)에서 입력되는 온도 신호에 따라, 조리가 수행되도록, 제1 전력변환장치(210a) 또는 제2 전력변환장치(210b)를 제어할 수 있다.
한편, 제어부(170)는, 온도 검출부(400)에서 감지되는 온도 정보를 수신하며, 디스플레이(180)에 온도 정보가 표시되도록 제어할 수 있다.
한편, 제어부(170)는, 제1 코일(Lr1)에 펄스 신호가 인가되도록 제어하며, 펄스 신호에 대응하여, 저항 소자에 흐르는 전류에 기초하여, 조리 용기(195)의 온도를 검출할 수 있다.
한편, 제어부(170)는, 조리 용기(195) 가열시, 제2 코일(Lr2)이 계속 동작하도록 제어하며, 제1 코일(Lr1)에 펄스 신호가 반복하여 인가되도록 제어할 수 있다.
한편, 제어부(170)는, 제2 코일(Lr2)이 동작 시간 또는 조리 용기(195)의 온도에 따라, 제1 코일(Lr1)의 펄스 신호의 폭이 가변되거나, 펄스 신호의 인가 시간이 가변되도록 제어할 수 있다.
도 3는 도 1의 유도가열 조리기기의 전력 공급의 일예를 보여주는 도면이다.
도 3를 참조하여 설명하면, 유도가열 조리기기(100)는 제1 전력변환장치(210a), 및 제2 전력변환장치(210b)를 더 포함할 수 있다.
제1 전력변환장치(210a)는, 제1 가열부(130) 내의 제2 유도 가열 코일(Lr2), 제2 가열부(132) 내의 제3 유도 가열 코일(Lr3), 및 제3 가열부(134) 내의 제4 유도 가열 코일(Lr4)에 전력을 공급할 수 있다. 여기서 전력은, 고주파의 교류 전류일 수 있다.
제2 전력변환장치(210b)는, 제1 가열부(130) 내의 제1 유도 가열 코일(Lr1)에 전력을 공급할 수 있다.
이와 같이, 복수의 유도 가열 코일이 중첩되어 배치되는 제1 가열부(130) 내의 각 유도 가열 코일에 서로 다른 전력변환장치로부터 전력을 공급함으로써, 고주파의 교류 전류를 사용하는 유도가열 조리기기를 파워 저감없이 효율적으로 또한 안정적으로 구동시킬 수 있게 된다.
도 4는 도 3에 따른 유도가열 조리기기의 내부 회로도의 일예이다.
도면을 참조하여 설명하면, 본 발명의 일실시예에 따른 제1 전력변환장치(210a)는, 제1 컨버터(310), 제2 컨버터(312), 제1 리액터(L1), 제2 리액터(L2), 제1 평활 커패시터(C1), 제2 평활 커패시터(C2), 제1 인버터(320), 제2 인버터(322), 전원 선택부(330), 제2 내지 제4 스위칭 소자(S2~S4)를 포함할 수 있다.
제2 전력변환장치(210b)는, 제3 컨버터(314), 제3 리액터(L3), 제3 평활 커패시터(C3), 제3 인버터(324), 제1 스위칭 소자(S1)를 포함할 수 있다.
제1 컨버터(310)와 제2 컨버터(312)는, 상용 교류 전원(305)을 입력받아, 이를 각각 직류 전원으로 변환하여 출력한다. 예를 들어, 제1 컨버터(310)와 제2 컨버터(312)는 다이오드 소자를 구비하고, 다이오드 소자에서 정류된 전원을 직류 전원으로 출력할 수 있다.
한편, 제1 컨버터(310)와 제2 컨버터(312)는, 다이오드 소자 및 스위칭 소자를 구비하고, 스위칭 소자의 스위칭 동작 및 다이오드 소자의 정류 특성에 따라 변환되는 직류 전원을 출력할 수도 있다.
이하에서는 제1 컨버터(310)와 제2 컨버터(312)가 스위칭 소자가 아닌 다이오드 소자로 이루어진 것을 중심으로 기술한다.
한편, 상용 교류 전원(305)은 단상 교류 전원 또는 삼상 교류 전원일 수 있다. 단상 교류 전원인 경우, 제1 컨버터(310)와 제2 컨버터(312)는, 브릿지 형태로서 4개의 다이오드 소자를 포함할 수 있다. 삼상 교류 전원인 경우, 제1 컨버터(310)와 제2 컨버터(312))는, 6개의 다이오드 소자를 포함할 수도 있다.
한편, 제3 컨버터(314)는, 제1 컨버터(310)와 제2 컨버터(312)와 같이, 상용 교류 전원을 입력받아, 이를 직류 전원으로 변환하여 출력한다. 이때, 파워 저감을 방지하기 위해, 제3 컨버터(314)는, 별도의 상용 교류 전원(307)을 입력받을 수 있다.
제1 리액터(L1)와 제2 리액터(L2)는, 제1 컨버터(310)와 제2 컨버터(312)의 일단에 각각 접속되어, 교류 성분의 에너지를 축적하여, 고조파 전류 성분 또는 노이즈 성분을 제거하는 역할을 수행한다.
제3 리액터(L3)는, 제3 컨버터(314)의 일단에 접속되어, 교류 성분의 에너지를 축적하여, 고조파 전류 성분 또는 노이즈 성분을 제거하는 역할을 수행한다.
제1 평활 커패시터(C1)와 제2 평활 커패시터(C2)는, 각각 제1 컨버터(310)와 제2 컨버터(312)의 출력단에 접속된다. 도면에서는 커패시터와 컨버터(310,215) 사이에 각각 리액터(L1,L2)가 배치되는 것으로 한다.
제1 평활 커패시터(C1)와 제2 평활 커패시터(C2)는, 제1 컨버터(310)와 제2 컨버터(312)로부터 출력되는 정류된 전원을 직류 전원으로 평활하게 된다. 이하에서는 제1 컨버터(310)와 제2 컨버터(312)의 출력단을 각각 제1 dc 단, 제2 dc 단이라고 한다. 제1 dc 단, 제2 dc 단의 평활된 직류 전압은 각각 제1 인버터(320) 및 제2 인버터(322)에 인가된다.
제3 커패시터(C3)는, 제3 컨버터(314)의 출력단에 접속되며, 제3 컨버터(312)로부터 출력되는 정류된 전원을 직류 전원으로 평활하게 된다. 제3 컨버터(314)의 출력단은 제3 dc 단이라 한다.
제1 인버터(320), 제2 인버터(322), 제3 인버터(324)는, 각각 복수개의 스위칭 소자를 구비하고, 스위칭 소자의 온/오프 동작에 의해, 평활된 직류 전원을 소정 주파수의 교류 전원으로 변환한다.
제1 인버터(320)는, 서로 직렬 연결되는 상암 스위칭 소자(Sa) 및 하암 스위칭 소자(S'a)를 구비한다. 각 스위칭 소자(Sa,S'a)에는 다이오드가 역병렬로 연결된다. 또한, 각 스위칭 소자(Sa,S'a)에는 스너버 커패시터가 각각 병렬로 연결된다.
제1 인버터(320) 내의 스위칭 소자들(Sa,S'a)은, 제어부(미도시)로부터의 제1 스위칭 제어신호에 기초하여, 턴 온/ 턴 오프 동작을 하게 된다. 이때, 스위칭 소자들(Sa,S'a)은, 서로 상보적으로 동작할 수도 있다.
제2 인버터(322)는, 제1 인버터(320)와 유사하게, 서로 직렬 연결되는 상암 스위칭 소자(Sb) 및 하암 스위칭 소자(S'b)를 구비한다. 각 스위칭 소자(Sb,S'b)에는 다이오드가 역병렬로 연결된다. 또한, 각 스위칭 소자(Sb,S'b)에는 스너버 커패시터가 각각 병렬로 연결된다.
제2 인버터(320) 내의 스위칭 소자들(Sb,S'b)은, 제어부(미도시)로부터의 제2 스위칭 제어신호에 기초하여, 턴 온/ 턴 오프 동작을 하게 된다.
제1 인버터(320)와 제2 인버터(322)의 동작은 별개로 수행될 수 있다. 즉, 각각 제1 고주파 교류 전원 및 제2 고주파 교류 전원을 생성하여 출력할 수 있다.
제3 인버터(324)는, 제1 인버터(320)와 유사하게, 서로 직렬 연결되는 상암 스위칭 소자(Sc) 및 하암 스위칭 소자(S'c)를 구비한다. 그 외, 다이오드 및 스터버 커패시터가 연결된다.
제2 유도 가열 코일(Lr2)에는, 공진을 위해 제4 공진 커패시터(Cr4)가 접속될 수 있다. 제2 유도 가열 코일(Lr2)에는 고주파 교류 전원이 공급되어, 상술한 유 가열 원리에 따라, 가열이 유도되도록 할 수 있다. 이때, 제2 유도 가열 코일(Lr2)의 동작을 결정하는 스위칭 소자(S4)가 제2 유도 가열 코일(Lr2)에 접속될 수 있다.
한편, 제2 유도 가열 코일(Lr2)에는 제1 인버터(320)으로부터의 제1 교류 전원이 공급되게 된다.
제3 유도 가열 코일(Lr3)과 제4 유도 가열 코일(Lr4)은 서로 병렬 접속되어 한 쌍을 이룬다. 한편, 각 제3 유도 가열 코일(Lr3)과 제4 유도 가열 코일(Lr4)에는, 공진을 위해 각각 제2 공진 커패시터(Cr2)와 제3 공진 커패시터(Cr3)가 접속될 수 있다. 각 유도 가열 코일(Lr2,Lr3)에는 고주파 교류 전원이 공급되어, 상술한 유 가열 원리에 따라, 가열이 유도되도록 할 수 있다. 이때, 각 유도 가열 코일(Lr2,Lr3)의 동작을 결정하는 스위칭 소자(S2,S3)가 각각 제3 유도 가열 코일(Lr3)과 제4 유도 가열 코일(Lr4)에 접속될 수 있다.
한편, 제3 유도 가열 코일(Lr3)과 제4 유도 가열 코일(Lr4)에는 제1 인버터(320)으로부터의 제1 교류 전원 또는 제2 인버터(322)로부터의 제2 교류 전원이 공급되게 된다. 이를 위해, 전원 선택부(330)가 스위칭 동작을 수행한다.
전원 선택부(330)는, 제3 유도 가열 코일(Lr3) 및 제2 유도 가열 코일(Lr2)이 모두 동작되는 경우에 제1 인버터(320)로부터의 제1 교류전원 및 제2 인버터(322)로부터의 제2 교류전원 중 어느 하나를 선택하여, 제3 유도 가열 코일(Lr3)에 공급되도록 하고, 다른 하나는 제4 유도 가열 코일(Lr4)에 공급되도록 제어한다.
예를 들어, 제3 유도 가열 코일(Lr3)에는 제2 교류전원을 공급하도록 제어하고, 제4 유도 가열 코일(Lr4)에는 제1 교류전원을 공급하도록 제어할 수 있다.
이에 의해, 동일 인버터에 병렬로 접속되는 복수개의 유도 가열 코일 중 적어도 3개 이상이 턴 온되어야 하는 경우, 각 유도 가열 코일에 인가되는 교류 전원을 분리할 수 있게 된다. 즉, 서로 다른 인버터로부터 해당 교류 전원을 공급받을 수 있게 된다. 이에 의해, 동일 인버터로부터 동일 교류 전원을 공급받지 않게 되어 파워 저감이 일어나지 않으며, 안정적으로 각각 교류 전원을 공급받을 수 있게 된다.
이를 위해 전원 선택부(330)는, 릴레이 소자를 구비할 수 있다. 도면에서는 릴레이 소자(R)를 구비하는 것을 예시한다.
릴레이 소자(R)는, 인버터(320,322)와 제4 유도 가열 코일(Lr4) 사이에 배치되어, 제4 유도 가열 코일(Lr4)이 제1 인버터(320) 와 제2 인버터(322) 중 어느 하나에 접속되도록 릴레이 동작을 수행할 수 있다.
한편, 릴레이 소자(R)의 릴레이 동작의 제어는, 제어부(미도시)의 제어 신호에 의해 수행될 수 있다.
제1 유도 가열 코일(Lr1)에는, 공진을 위해 제1 공진 커패시터(Cr1)가 접속될 수 있다. 제1 유도 가열 코일(Lr1)에는 고주파 교류 전원이 공급되어, 상술한 유 가열 원리에 따라, 가열이 유도되도록 할 수 있다. 이때, 제1 유도 가열 코일(Lr1)의 동작을 결정하는 스위칭 소자(S1)가 제1 유도 가열 코일(Lr1)에 접속될 수 있다.
한편, 제1 유도 가열 코일(Lr1)에는 제3 인버터(324)으로부터의 제3 교류 전원이 공급되게 된다.
한편, 제어부(미도시)는, 제1 인버터(320) 내의 스위칭 소자(Sa.S'a), 제2 인버터(322) 내의 스위칭 소자(Sb,S'b), 제3 인버터(324) 내의 스위칭 소자(Sc,S'c), 전원 선택부(330) 내의 릴레이 소자(R), 각 유도 가열 코일의 동작을 위한 제1 내지 제4 스위칭 소자(S1 ~S4)의 동작을 제어할 수 있다.
특히, 제1 인버터(320), 제2 인버터(322), 및 제3 인버터(324)의 제어를 위해, 펄스 폭 변조(PWm) 방식에 따른 스위칭 제어 신호를 출력할 수 있다. 제1 인버터(320), 제2 인버터(322), 및 제3 인버터(324) 내의 스위칭 소자가 IGBT(Insulated gate bipolar transistor)인 경우, 펄스 폭 변조(PWm) 방식에 따른 게이트 구동 제어 신호를 출력할 수 있다.
한편, 제어부(미도시)는, 각 유도 가열 코일 부근의 온도를 감지하는 온도를 감지하는 온도 감지부(미도시)와, 상용 교류 전원으로부터의 입력 전류를 검출하는 입력 전류 검출부(미도시)로 부터, 각각 해당 값을 입력받아, 이상시 유도가열 조리기기(100) 전체의 동작을 중지시킬 수도 있다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명과 관련된 전력변환장치의 다양한 예를 도시한 도면이다.
먼저, 도 5a는, 싱글 엔디드 공진형 인버터를 구비하는 전력변환장치(210xa)의 회로도의 일예이다.
도면을 참조하면, 전력변환장치(210xa)는, 정류부(RET)에서 정류된 전압을 이용하여, 코일(coil), 커패시터(Cm), 공진 커패시터(Cr), 하나의 스위칭 소자(Q)를 이용하여, 유도성 부하(Lr) 및 저항 소자(Rcq)에 전력을 공급한다.
다음, 도 5b는 하프 브릿지 공진형 인버터를 구비하는 전력변환장치(210xb)의 회로도의 일예이다.
도면을 참조하면, 전력변환장치(210xb)는, 정류부(RET)에서 정류된 전압을 이용하여, 코일(coil), 커패시터(Cm), 한 쌍의 공진 커패시터(Cr1,Cr2), 하프 브릿지 형태의 한 쌍의 스위칭 소자(Q1,Q2)를 이용하여, 유도성 부하(Lr) 및 저항 소자(Rcq)에 전력을 공급한다.
다음, 도 5c는 풀 브릿지 공진형 인버터를 구비하는 전력변환장치(210xc)의 회로도의 일예이다.
도면을 참조하면, 전력변환장치(210xc)는, dc단 전압(Vdc), 풀 브릿지 형태의 두 쌍의 스위칭 소자(Q1,Q2,Q3,Q4)를 이용하여, 유도성 부하(Lr) 및 공진 커패시터(Cr)에 전력을 공급한다.
그러나, 싱글 엔디드 공진형 인버터를 구비하는 전력변환장치(210xa)와, 하프 브릿지 공진형 인버터를 구비하는 전력변환장치(210xb)를 사용할 경우, 동작 주파수가 작으며, 이에 따라, 공진 커패시터와 공진 인덕터의 사이즈가 크다는 단점이 있다. 또한, 스위칭 소자의 내압이 높아, 스위칭 소손 가능성이 높으며, 스위칭 손실이 크다는 단점이 있다.
한편, 풀 브릿지 공진형 인버터를 구비하는 전력변환장치(210xc)를 사용항 경우, 스위칭 소자의 내압이 높아, 스위칭 소손 가능성이 높으며, 스위칭 손실이 크다는 단점이 있다.
이에 본 발명에서는, 스위칭 손실을 저감하면서, 스위칭 소자의 내압을 저감하는 방안을 제시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력변환장치의 회로도의 일예이고, 도 7 내지 도 11은 도 6의 전력변환장치의 동작 설명에 참조되는 도면이다.
먼저, 도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전력변환장치(210)는, 제1 전압(0.5Vs)을 저장하는 제1 커패시터(Cs)와, 제1 커패시터(Cs)에 저장된 제1 전압(0.5Vs)을 유도성 부하(Lr)의 일단인 제1 노드(nda)에 출력하도록 턴 온되는 제1 스위칭 소자(SW1)와, 제1 스위칭 소자(SW1)에 일단이 접속되며, 제1 노드(nda)의 전압을 제1 전압(0.5Vs)으로 하강하도록 턴 온되는 제2 스위칭 소자(SW2)와, 제1 전압(0.5Vs) 보다 큰 제2 전압(Vs)을 유도성 부하(Lr)의 일단인 제1 노드(nda)에 출력하도록 턴 온되는 제3 스위칭 소자(SW3)와, 제3 스위칭 소자(SW3)의 일단이 접속되며, 제1 노드(nda)의 전압을 그라운드 전압(GND)으로 하강하도록 턴 온되는 제4 스위칭 소자(SW4)를 포함한다.
이에 따라, 유도성 부하(Lr)에 전력 공급시의 스위칭 손실을 저감할 수 있게 된다. 또한, 유도성 부하(Lr)에 전력 공급시의 스위칭 소자의 내압을 저감할 수 있게 된다.
또한, 제1 스위칭 소자 내지 제4 스위칭 소자(SW1~SW4)의 고속 스위칭이 가능하게 된다.
예를 들어, 도 5c의 전력변환장치(210xc) 내의 스위칭 소자(Q1~Q4)의 스위칭 주파수가 대략 30KHz 일 수 있으나, 도 6의 제1 스위칭 소자 내지 제4 스위칭 소자(SW1~SW4)의 스위칭 주파수는 대략 200KHz 까지 상승시킬 수 있게 된다.
한편, 유도성 부하(Lr)와 공진 커패시터(Cr)에 의한 공진에 의해, 입력 전압 대비 최대 공진 전압을, 유도성 부하(Lr)에 공급할 수 있게 된다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 전력변환장치(210)는, 유도성 부하(Lr)의 타단(ndb)과 그라운드(GND) 사이에 배치되는 공진 커패시터(Cr)를 더 포함할 수 있다. 이에 따라, 유도성 부하(Lr)에 공진을 이용하여 최대 전력을 공급할 수 있게 된다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 전력변환장치(210)는, 제1 스위칭 소자(SW1)와 제1 노드(nda) 사이에 접속되는 제1 다이오드(D1)와, 제2 스위칭 소자(SW2)와 제2 노드(ndc) 사이에 접속되는 제2 다이오드(D2)를 더 포함할 수 있다. 이에 따라, 제1 스위칭 소자(SW1)의 턴 온 또는 제2 스위칭 소자(SW2)의 턴 온에 따른 전류 패쓰를 형성할 수 있게 된다.
도면과 같이, 제2 노드(ndc)에 제1 다이오드(D1)의 애노드가 접속되고, 제1 노드(nda)에 제1 다이오드(D1)의 캐소드가 접속되며, 제2 노드(ndc)에 제2 다이오드(D2)의 캐소드가 접속되고, 제1 노드(nda)에 제2 다이오드(D2)의 애노드가 접속될 수 있다.
이에 따라, 제1 스위칭 소자(SW1)의 턴 온에 의해, 제1 다이오드(D1)가 도통하여, 커페시터(Cs)에서, 제1 스위칭 소자(SW1), 제1 다이오드(D1)를 통해 전류가 흐르며, 제2 다이오드(D2) 방향으로는 전류가 흐르지 않게 된다.
한편, 제2 스위칭 소자(SW2)의 턴 온에 의해, 제2 다이오드(D2)가 도통하여, 제2 스위칭 소자(SW1), 제2 다이오드(D1), 커페시터(Cs)를 통해 전류가 흐르며, 제1 다이오드(D1) 방향으로는 전류가 흐르지 않게 된다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력변환장치(210)는, 서로 직렬 접속되는 제1 스위칭 소자(SW1)와 제2 스위칭 소자(SW2)와, 제1 스위칭 소자(SW1)에 일단이 접속되며, 제1 전압(0.5Vs)을 저장하는 제1 커패시터(Cs)와, 제1 스위치 소자와 제2 스위칭 소자(SW2) 사이의 제1 노드(nda)에 접속되는 유도성 부하(Lr)와, 서로 직렬 접속되는 제3 스위칭 소자(SW3)와 제4 스위칭 소자(SW4)를 구비하고, 제3 스위치 소자와 제4 스위칭 소자(SW4) 사이는 제1 노드(nda)에 접속되며, 제3 스위칭 소자(SW3)에 제2 전압(Vs)을 공급하는 제2 전압원이 접속되며, 제1 노드(nda)의 전압은, 제1 스위칭 소자(SW1)와 제3 스위칭 소자(SW3)의 순차적인 턴 온에 의해, 단계적으로 상승한다. 이에 따라, 유도성 부하(Lr)에 전력 공급시의 스위칭 손실을 저감할 수 있게 된다. 또한, 유도성 부하(Lr)에 전력 공급시의 스위칭 소자의 내압을 저감할 수 있게 된다.
한편, 제1 노드(nda)의 전압은, 제1 스위칭 소자(SW1)의 턴 온에 의해, 제1 전압(0.5Vs)으로 상승하며, 제3 스위칭 소자(SW3)의 턴 온에 의해, 제1 전압(0.5Vs)에서 제2 전압(Vs)으로 상승할 수 있다. 이에 따라, 유도성 부하(Lr)에 전력 공급시의 스위칭 손실을 저감할 수 있게 된다.
한편, 제1 노드(nda)의 전압은, 제2 스위칭 소자(SW2)와 제4 스위칭 소자(SW4)의 순차적인 턴 온에 의해, 단계적으로 하강할 수 있다. 이에 따라, 유도성 부하(Lr)에 전력 공급시의 스위칭 손실을 저감할 수 있게 된다.
한편, 제1 노드(nda)의 전압은, 제1 노드(nda)의 전압은, 제2 스위칭 소자(SW2)의 턴 온에 의해, 제2 전압(Vs)에서 제1 전압(0.5Vs)으로 하강하며, 제4 스위칭 소자(SW4)의 턴 온에 의해, 제1 전압(0.5Vs)에서 그라운드 전압(GND)으로 하강할 수 있다.
도 7은 도 6의 전력변환장치(210) 내의 각 스위칭 소자(SW1~SW4)의 턴 온 타이밍과 그에 따른, 제1 노드(nda)의 전압 변화를 나타내는 타이밍도이다.
도면을 참조하면, 한편, 제1 시점(Ta1)에, 제1 스위칭 소자(SW1)가 턴 온되어, Tr1 시점에, 제1 노드(nda)의 전압이, 그라운드 전압에서 제1 전압(0.5Vs)으로 상승하며, 제1 시점(Ta1) 이후의 제2 시점(Ta3)에, 제3 스위칭 소자(SW3)가 턴 온되어, Tr2 시점에, 제1 노드(nda)의 전압이 제1 전압(0.5Vs)에서 제2 전압(Vs)으로 상승하며, 제2 시점(Ta3) 이후의 제3 시점(Ta2)에, 제2 스위칭 소자(SW2)가 턴 온되어, Tf1 시점에, 제1 노드(nda)의 전압이 제2 전압(Vs)에서 제1 전압(0.5Vs)으로 하강하며, 제3 시점(Ta2) 이후의 제4 시점(Ta4)에, 제4 스위칭 소자(SW4)가 턴 온되어, Tf2 시점에, 제1 노드(nda)의 전압이 제2 전압(Vs)에서 그라운드 전압(GND)으로 하강할 수 있다. 이에 따라, 유도성 부하(Lr)에 전력 공급시의 스위칭 손실을 저감할 수 있게 된다.
도면과 같이, 제1 노드(nda)의 전압이, 그라운드 전압에서, 제2 전압(Vs) 까지 상승시, 제1 전압(0.5Vs)을 거쳐, 단계적으로 상승하므로, 제1 스위칭 소자(SW1) 또는 제3 스위칭 소자(SW3)의 턴 온시에 순간적인 전류의 레벨이 낮아지게 된다. 따라서, 스위칭 손실이 저감되게 된다.
이와 유사하게, 제1 노드(nda)의 전압이, 제2 전압(Vs)에서 그라운드 전압까지 하강시, 제1 전압(0.5Vs)을 거쳐, 단계적으로 하강하므로, 제2 스위칭 소자(SW2) 또는 제4 스위칭 소자(SW4)의 턴 온시에 순간적인 전류의 레벨이 낮아지게 된다. 따라서, 스위칭 손실이 저감되게 된다.
도 8a는 도 5c의 풀 브릿지 공진형 인버터를 구비하는 전력변환장치(210xc) 내의 스위칭 소자(Q1)의 양단 전압(Vq1)과 흐르는 전류(Iq1)를 도시한 도면이다.
도면을 참조하면, 전력변환장치(210xc) 내의 스위칭 소자(Q1)는, 유도성 부하(lr)에 제2 전압(Vs)의 공급을 위해, 턴 온되며, 이에 따라, 그라운드 전압에서 급격히 제2 전압(Vs)까지 상승하는 전압 파형이, 도면과 같이 나타나게 된다.
아울러, 스위칭 소자(Q1)에 흐르는 전류(Iq1)는, 유도성 부하(Lr)로 인한 시간 지연에 의해, 전압 하강시에 일부 상승하게 되며, 양단 전압(Vq1)과 전류(Iq1) 사이에, 일부 중첩하는 영역(Ara)이 발생하게 된다.
이러한 중첩 영역(Ara)은, 스위칭 소자(Q1)에서 소비되는 전력으로서, 스위칭 손실로 나타나게 된다.
도 8b는 본 발명의 실시예에 따른 도 6의 전력변환장치(210) 내의 제1 스위칭 소자(SW1)의 양단 전압(Vsw1)과 흐르는 전류(Isw1)를 도시한 도면이다.
도면을 참조하면, 전력변환장치(210) 내의 제1 스위칭 소자(SW1)는, 유도성 부하(lr)에 제1 전압(0.5Vs) 공급을 위해, 턴 온되며, 이에 따라, 그라운드 전압에서 급격히 제1 전압(0.5Vs)까지 상승하는 전압 파형이, 도면과 같이 나타나게 된다.
아울러, 제1 스위칭 소자(SW1)에 흐르는 전류(Isw1)는, 유도성 부하(Lr)로 인한 시간 지연에 의해, 전압 하강시에 일부 상승하게 되며, 양단 전압(Vsw1)과 전류(Isw1) 사이에, 일부 중첩하는 영역(Arb)이 발생하게 된다.
이러한 중첩 영역(Arb)은, 제1 스위칭 소자(SW1)에서 소비되는 전력으로서, 스위칭 손실로 나타나게 된다.
그러나, 도 8a의 중첩 영역(Ara)에 비해, 도 8b의 중첩 영역(Arb)은, 더 작게 나타므로, 스위칭 손실을 저감할 수 있게 된다.
한편, 도 8b의 제1 스위칭 소자(SW1)의 내압은 대략 0.5Vs 이므로, 도 8a의 스위칭 소자(Q1)의 내압의 Vs에 비해, 대략 절반 정도로 감소하게 된다. 따라서, 도 8b의 제1 스위칭 소자(SW1)의 내압은 감소하게 된다.
도 9a는 도 5c의 풀 브릿지 공진형 인버터를 구비하는 전력변환장치(210xc) 내의 스위칭 소자(Q1,Q3)의 턴 온에 따른 전류 패쓰를 도시한 도면이다.
도면을 참조하면, 먼저, 제1 스위칭 소자(Q1)와 제4 스위칭 소자(Q4)가 턴 온하며, 이에 따라, Ipathxa과 같은 전류 패쓰가 형성되며, 유도성 부하(Lr)의 일단(nd)의 전압이, 그라운드 전압에서 Vs 전압까지 상승하고, 대략 Vs 전압을 유지하게 된다.
다음, 제2 스위칭 소자(Q2)와 제3 스위칭 소자(Q3)가 턴 온하며, 이에 따라, Ipath튜과 같은 전류 패쓰가 형성되며, 유도성 부하(Lr)의 일단(nd)의 전압이, Vs 전압에서 그라운드 전압까지 하강하게 된다.
한편, 도 9a의 방식에 따르면, 도 8a의 설명과 같이, 스위칭 손실이 상승하며, 스위칭 소자의 내압이 증가한다는 단점이 있다.
도 9b는 본 발명의 실시예에 따른 도 6의 전력변환장치(210) 내의 스위칭 소자들(SW1~SW4)의 턴 온에 따른 전류 패쓰를 도시한 도면이다.
도면을 참조하면, 제1 시점(Ta1)에, 제1 스위칭 소자(SW1)가 턴 온된다. 이에 따라, 커패시터(Cs), 제1 스위칭 소자(SW1), 제1 다이오드(D1), 유도성 부하(Lr), 공진 커패시터(Cr)를 흐르는 Ipath1과 같은 전류 패쓰가 형성된다.
이러한 공진 전류 패쓰에 기초하여, 제1 노드(nda)의 전압이 그라운드 전압에서 제1 전압(0.5Vs)으로 상승한다.
다음, 제1 시점(Ta1) 이후의 제2 시점(Ta3)에, 제3 스위칭 소자(SW3)가 턴 온된다. 이에 따라, 제2 전압원, 제3 스위칭 소자(SW3), 유도성 부하(Lr), 공진 커패시터(Cr)를 흐르는 Ipath2과 같은 전류 패쓰가 형성된다.
이러한 공진 전류 패쓰에 기초하여, 제1 노드(nda)의 전압이 제1 전압(0.5Vs)에서 제2 전압(Vs)으로 상승한다.
다음, 제2 시점(Ta3) 이후의 제3 시점(Ta2)에, 제2 스위칭 소자(SW2)가 턴 온된다. 이에 따라, 커패시터(Cs), 제2 스위칭 소자(SW2), 제2 다이오드(D2), 유도성 부하(Lr), 공진 커패시터(Cr)를 흐르는 Ipath3과 같은 전류 패쓰가 형성된다.
이러한 공진 전류 패쓰에 기초하여, 제1 노드(nda)의 전압이 제1 전압(0.5Vs)에서 그라운드 전압으로 하강한다.
다음, 제3 시점(Ta2) 이후의 제4 시점(Ta4)에, 제4 스위칭 소자(SW4)가 턴 온된다. 이에 따라, 그라운드, 제4 스위칭 소자(SW4), 유도성 부하(Lr), 공진 커패시터(Cr)를 흐르는 Ipath4와 같은 전류 패쓰가 형성된다.
이러한 공진 전류 패쓰에 기초하여, 제1 노드(nda)의 전압이 제1 전압(0.5Vs)에서 그라운드 전압으로 하강한다.
도 10a의 (a)는, 도 9a의 Ipathxa의 전류 패쓰와 관련하여 제1 스위칭 소자(Q1)에 흐르는 전류 파형을 예시하며, 도 10a의 (b)는, 도 9a의 Ipathxb의 전류 패쓰와 관련하여 제3 스위칭 소자(Q3)에 흐르는 전류 파형을 예시한다.
도 10b의 (a)는, 도 9b의 Ipath1의 전류 패쓰와 관련하여 제1 스위칭 소자(SW1)에 흐르는 전류 파형을 예시하며, 도 10b의 (b)는, 도 9b의 Ipath2의 전류 패쓰와 관련하여 제3 스위칭 소자(SW3)에 흐르는 전류 파형을 예시하며, 도 10b의 (c)는, 도 9b의 Ipath3의 전류 패쓰와 관련하여 제2 스위칭 소자(SW2)에 흐르는 전류 파형을 예시하며, 도 10b의 (d)는, 도 9b의 Ipath4의 전류 패쓰와 관련하여 제4 스위칭 소자(SW4)에 흐르는 전류 파형을 예시한다.
도 10c의 (a)는, 도 9a의 제1 스위칭 소자(Q1)의 전압 파형(VQ1)을 예시하며, 도 10c의 (b)는, 도 9b의 제1 스위칭 소자(SW1)의 전압 파형(Vsw1)을 예시하며, 도 10c의 (c)는, 도 9b의 제3 스위칭 소자(SW3)의 전압 파형(Vsw3)을 예시한다.
도 10c의 (a)의 제1 스위칭 소자(Q1)의 전압 파형(VQ1)의 최대 레벨은 LV1으로서, 도 10c의 (b)의 제1 스위칭 소자(SW1)의 전압 파형(Vsw1)의 최대 레벨인 Lv2 보다 대략 2배가 크다.
따라서, 본 발명의 실시예 따른 전력변환장치(210) 내의 제1 스위칭 소자(SW1)의 내압은, 풀 브릿지 인버터를 구비하는 전력변화장치(210Xc) 내의 제1 스위칭 소자(Q1)의 내압에 비해, 절반 가량으로 낮아지게 된다.
한편, 도 10c의 (c)의 제3 스위칭 소자(SW3)의 전압 파형(Vsw3)을 보면, Lv2에서 Lv1으로 단계적으로 상승하거나, Lv1에서 Lv2로 단계적으로 하강하므로, 풀 브릿지 인버터를 구비하는 전력변화장치(210Xc) 내의 제1 스위칭 소자(Q1)에 비해, 내압이 저감되게 된다.
도 10d의 (a)는, 도 9a의 제1 스위칭 소자(Q1)의 스위칭 손실 파형(LSx)을 예시하며, 도 10d의 (b)는, 도 9b의 제1 스위칭 소자(SW1)의 스위칭 손실 파형(LSs)을 예시한다.
도 10d의 (a)의 스위칭 손실 파형(LSx)과 스위칭 손실 파형(LSs)은, 스위칭 소자의 소비전력 파형을 나타낼 수 있다.
도면을 참조하면, 도 10d의 (a)의 스위칭 손실 파형(LSx)에 비해, 도 10d의 (b)의 스위칭 손실 파형(LSs)의 레벨이 더 작은 것을 알 수 있다.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 전력변환장치(210)에 따르면, 유도성 부하(lr)에 전력 공급시의 스위칭 손실을 저감할 수 있게 된다.
도 11의 (a)는, 유도성 부하(Lr)에 흐르는 전류 파형(IL)을 나타내며, 도 11의 (b)는, 공진 커패시터(Cr)의 양단 전압(Vc)을 나타내며, 도 11의 (c)는, 도 9의 전력변환장치(210) 내의 스위치 소자들(SW1~SW4)이 턴 온에 따른 스위칭 시퀀스(SWW)를 예시하는 도면이다.
유도성 부하(Lr)에 흐르는 전류 파형(IL)과 진 커패시터(Cr)의 양단 전압(Vc) 사이에는 소정의 위상 차가 발생하게 된다.
한편, 도 11의 (c)의 스위칭 시퀀스(SWW)에 따르면, 제1 기간(t1) 동안, 제1 스위칭 소자(SW1)가 턴 온되어, 유도성 부하(Lr)와 공진 커패시터(Cr)에 기초한 공진에 의해, 제1 노드(nda)의 전압이 제1 전압(0.5Vs)으로 상승하며, 제1 기간(t1)과 일부 중첩되는 제2 기간(t2) 동안, 제3 스위칭 소자(SW3)가 턴 온되어, 유도성 부하(Lr)와 공진 커패시터(Cr)에 기초한 공진에 의해, 제1 노드(nda)의 전압이 제1 전압(0.5Vs)에서 제2 전압(Vs)으로 상승할 수 있다. 이에 따라, 유도성 부하(Lr)에 전력 공급시의 스위칭 손실을 저감할 수 있게 된다.
이때, 중첩되는 기간은, 제1 스위칭 소자(SW1) 또는 제3 스위칭 소자(SW3)의 턴 온 기간의 대략 0.1배일 수 있다.
한편, 제2 기간(t2)과 이격된 제3 기간(t3) 동안, 제2 스위칭 소자(SW2)가 턴 온되어, 유도성 부하(Lr)와 공진 커패시터(Cr)에 기초한 공진에 의해, 제1 노드(nda)의 전압이 제2 전압(Vs)에서 제1 전압(0.5Vs)으로 하강하며, 제3 기간(t3)과 일부 중첩되는 제4 기간(t4) 동안, 제4 스위칭 소자(SW4)가 턴 온되어, 유도성 부하(Lr)와 공진 커패시터(Cr)에 기초한 공진에 의해, 제1 노드(nda)의 전압이 제1 전압(0.5Vs)에서 그라운드 전압(GND)으로 하강할 수 있다. 이에 따라, 유도성 부하(Lr)에 전력 공급시의 스위칭 손실을 저감할 수 있게 된다.
이때, 중첩되는 기간은, 제2 스위칭 소자(SW2) 또는 제4 스위칭 소자(SW4)의 턴 온 기간의 대략 0.1배일 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 전력변환장치(210)에 의하면, 입력 전압(예를 들어, Vs)이 낮아도 주파수 값을 제어하여, 유도성 부하(Lr)의 양단에, 최대 에너지가 공급되도록 제어할 수 있다.
즉, 입력 전압아 낮이즐수록, 주파수가 증가하도록 제어하여,유도성 부하(Lr)의 양단에, 최대 에너지가 공급되도록 제어할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 전력변환장치(210)에 의하면, 도통 노이즈(conduction noise)를 최소화하여 노이즈 필터를 최소화 설계할 수 있게 된다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

Claims (15)

  1. 제1 전압을 저장하는 제1 커패시터;
    상기 제1 커패시터에 저장된 상기 제1 전압을 유도성 부하의 일단인 제1 노드에 출력하도록 턴 온되는 제1 스위칭 소자;
    상기 제1 스위칭 소자에 일단이 접속되며, 상기 제1 노드의 전압을 상기 제1 전압으로 하강하도록 턴 온되는 제2 스위칭 소자;
    상기 제1 전압 보다 큰 제2 전압을 상기 유도성 부하의 일단인 상기 제1 노드에 출력하도록 턴 온되는 제3 스위칭 소자;
    상기 제3 스위칭 소자의 일단이 접속되며, 상기 제1 노드의 전압을 그라운드 전압으로 하강하도록 턴 온되는 제4 스위칭 소자;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  2. 제1항에 있어서,
    제1 시점에, 상기 제1 스위칭 소자가 턴 온되어, 상기 제1 노드의 전압이 상기 제1 전압으로 상승하며,
    상기 제1 시점 이후의 제2 시점에, 상기 제3 스위칭 소자가 턴 온되어, 상기 제1 노드의 전압이 상기 제1 전압에서 상기 제2 전압으로 상승하며,
    상기 제2 시점 이후의 제3 시점에, 상기 제2 스위칭 소자가 턴 온되어, 상기 제1 노드의 전압이 상기 제2 전압에서 상기 제1 전압으로 하강하며,
    상기 제3 시점 이후의 제4 시점에, 상기 제4 스위칭 소자가 턴 온되어, 상기 제1 노드의 전압이 상기 제2 전압에서 상기 그라운드 전압으로 하강하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 유도성 부하의 타단과 그라운드 사이에 배치되는 공진 커패시터;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  4. 제3항에 있어서,
    제1 기간 동안, 상기 제1 스위칭 소자가 턴 온되어, 상기 유도성 부하와 상기 공진 커패시터에 기초한 공진에 의해, 상기 제1 노드의 전압이 상기 제1 전압으로 상승하며,
    상기 제1 기간과 일부 중첩되는 제2 기간 동안, 상기 제3 스위칭 소자가 턴 온되어, 상기 유도성 부하와 상기 공진 커패시터에 기초한 공진에 의해, 상기 제1 노드의 전압이 상기 제1 전압에서 상기 제2 전압으로 상승하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  5. 제4항에 있어서,
    제2 기간과 이격된 제3 기간 동안, 상기 제2 스위칭 소자가 턴 온되어, 상기 유도성 부하와 상기 공진 커패시터에 기초한 공진에 의해, 상기 제1 노드의 전압이 상기 제2 전압에서 상기 제1 전압으로 하강하며,
    상기 제3 기간과 일부 중첩되는 제4 기간 동안, 상기 제4 스위칭 소자가 턴 온되어, 상기 유도성 부하와 상기 공진 커패시터에 기초한 공진에 의해, 상기 제1 노드의 전압이 상기 제1 전압에서 상기 그라운드 전압으로 하강하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 스위칭 소자와 상기 제1 노드 사이에 접속되는 제1 다이오드;
    상기 제2 스위칭 소자와 상기 제2 노드 사이에 접속되는 제2 다이오드;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  7. 서로 직렬 접속되는 제1 스위칭 소자와 제2 스위칭 소자;
    상기 제1 스위칭 소자에 일단이 접속되며, 제1 전압을 저장하는 제1 커패시터;
    상기 제1 스위치 소자와 상기 제2 스위칭 소자 사이의 제1 노드에 접속되는 유도성 부하;
    서로 직렬 접속되는 제3 스위칭 소자와 제4 스위칭 소자;를 구비하고,
    상기 제3 스위치 소자와 상기 제4 스위칭 소자 사이는 상기 제1 노드에 접속되며,
    상기 제3 스위칭 소자에 제2 전압을 공급하는 제2 전압원이 접속되며,
    상기 제1 노드의 전압은, 상기 제1 스위칭 소자와 상기 제3 스위칭 소자의 순차적인 턴 온에 의해, 단계적으로 상승하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 노드의 전압은, 상기 제1 스위칭 소자의 턴 온에 의해, 상기 제1 전압으로 상승하며, 상기 제3 스위칭 소자의 턴 온에 의해, 상기 제1 전압에서 제2 전압으로 상승하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제1 노드의 전압은, 상기 제2 스위칭 소자와 상기 제4 스위칭 소자의 순차적인 턴 온에 의해, 단계적으로 하강하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 노드의 전압은, 상기 제2 스위칭 소자의 턴 온에 의해, 상기 제2 전압에서 상기 제1 전압으로 하강하며, 상기 제4 스위칭 소자의 턴 온에 의해, 상기 제1 전압에서 그라운드 전압으로 하강하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 제1 노드의 일단이 접속되는 유도성 부하;
    상기 유도성 부하의 타단과 그라운드 사이에 배치되는 공진 커패시터;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  12. 제11항에 있어서,
    제1 기간 동안, 상기 제1 스위칭 소자가 턴 온되어, 상기 유도성 부하와 상기 공진 커패시터에 기초한 공진에 의해, 상기 제1 노드의 전압이 상기 제1 전압으로 상승하며,
    상기 제1 기간과 일부 중첩되는 제2 기간 동안, 상기 제3 스위칭 소자가 턴 온되어, 상기 유도성 부하와 상기 공진 커패시터에 기초한 공진에 의해, 상기 제1 노드의 전압이 상기 제1 전압에서 상기 제2 전압으로 상승하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  13. 제12항에 있어서,
    제2 기간과 이격된 제3 기간 동안, 상기 제2 스위칭 소자가 턴 온되어, 상기 유도성 부하와 상기 공진 커패시터에 기초한 공진에 의해, 상기 제1 노드의 전압이 상기 제2 전압에서 상기 제1 전압으로 하강하며,
    상기 제3 기간과 일부 중첩되는 제4 기간 동안, 상기 제4 스위칭 소자가 턴 온되어, 상기 유도성 부하와 상기 공진 커패시터에 기초한 공진에 의해, 상기 제1 노드의 전압이 상기 제1 전압에서 상기 그라운드 전압으로 하강하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  14. 제7항에 있어서,
    상기 제1 스위칭 소자와 상기 제1 노드 사이에 접속되는 제1 다이오드;
    상기 제2 스위칭 소자와 상기 제2 노드 사이에 접속되는 제2 다이오드;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항의 전력변환장치를 구비하는 홈 어플라이언스.
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